3D-DIC技術(shù)實驗背景

膠結(jié)煤矸石充填體（CCGB）是一種含粗集料的水泥基混合料，主要用于煤礦井下采空區(qū)充填。然而，CCGB 目前面臨著力學性能與材料成本之間的矛盾?；趶娀W性能最薄弱環(huán)節(jié)（即界面過渡區(qū)（ITZ）），采用針對ITZ的植物纖維CCGB增強方法。此外，通過力學加載實驗分析玉米秸稈纖維對CCGB單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度、剪切強度等的影響。

膠結(jié)煤矸石充填體CBM 布局示意圖

3D-DIC技術(shù)實驗內(nèi)容

采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC），結(jié)合聲發(fā)射（AE）技術(shù)對試樣在單軸壓縮過程中的破壞響應(yīng)特征進行監(jiān)測。

3D-DIC應(yīng)變測量技術(shù)結(jié)合其它儀器及分析方法得出，添加一定含量玉米秸稈纖維可改善CCGB早期的力學性能，其干燥收縮率、堿性處理和水處理增強效果不同。實驗有利于有效處理包括玉米秸稈在內(nèi)的農(nóng)業(yè)廢棄物，固體生物質(zhì)廢棄物的綠色開發(fā)和資源化利用。

DIC三維全場應(yīng)變測量試驗裝置和試樣尺寸

玉米秸稈纖維的制備過程

機械斷裂性能

為驗證玉米秸稈纖維在CCGB中的耐久性，將玉米秸稈纖維分別在CCGB中放置7天和90天，然后將CCGB 破碎，去除玉米秸稈纖維。通過測試玉米秸稈纖維的力學斷裂性能，包括斷裂強度、初始彈性模量、斷裂伸長率和拉伸載荷-位移曲線。測試過程和結(jié)果如下圖所示。

玉米秸稈纖維的機械斷裂性能測試（注：“R”-參考組，“S”-水處理組，“J”-堿性處理組，在CCGB中“d”代表-天）。

玉米秸稈纖維的機械斷裂性能

3D-DIC技術(shù)實驗方法

采用單軸抗壓強度（UCS）和劈拉強度（STS）的試驗方法，巖石剛度試驗機進行加載，使用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測試，該測試使用新拓三維開發(fā)的XTDIC三維全場應(yīng)變測量和分析系統(tǒng)進行，使用兩臺XTDIC攝像機拍攝樣品表面。通過計算每個黑點處的位移變化，以表示試樣表面的變形特征。DIC試驗與單軸壓縮平行進行。

實驗結(jié)果

單軸抗壓強度UCS

可以觀察到，所有試驗組顯示出玉米秸稈纖維增強CCGB穩(wěn)步增加，增長趨勢隨著年齡的增長逐漸變慢。對于經(jīng)水性處理、堿性處理、不同粗煤質(zhì)量、不同用量材料的組別，單軸抗壓強度UCS會有所區(qū)別和不同。

單軸抗壓強度UCS的趨勢

劈裂抗拉強度（STS）

劈裂抗拉強度STS的變化趨勢與UCS的變化趨勢高度一致。

劈裂抗拉強度STS的發(fā)展趨勢

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）

采用DIC技術(shù)對試樣表面進行監(jiān)測，探討添加玉米秸稈纖維后CCGB的二維損傷特性。與玉米秸稈纖維混合的CCGB在單軸壓縮過程中的表面應(yīng)變變化較小，總體均勻性較高。

此外，CCGB與玉米秸稈纖維混合后的損傷特征主要是單向的。這表明玉米秸稈纖維的加入有助于保持試樣的整體穩(wěn)定性，并起到連接基體的作用。

3D-DIC技術(shù)監(jiān)測的表面應(yīng)變云圖（藍色／頂部：垂直方向；橙色／底部：水平方向）

從下表可以看出，添加玉米秸稈纖維可以很好地控制水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變。堿處理對應(yīng)變變化的控制作用比水處理更顯著。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，在7天齡期，CCGB的水平裂紋面積比例顯著高于垂直裂紋面積比例，此后兩者的比例接近。

脆性和韌性斷裂

加載過程中的斷裂特性對水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用具有實際工程意義。

添加玉米秸稈纖維在ITZ附近開裂的示意圖（白色虛線：開裂軌跡）

因此，提取了DIC試驗期間試樣從加載開始到150s、300s和450s的照片，固化時間為28d，如下圖所示。

分析表明試樣0的斷裂是脆性的，而試樣S1和J3的斷裂相對更接近韌性斷裂。J3試樣的早期裂紋是由于其纖維含量過多和玉米秸稈纖維在內(nèi)部團聚造成的。

對這些斷裂特性的討論表明，纖維增強CCGBs應(yīng)在實際工程中使用。纖維的加入將使CCGBs的斷裂特性從脆性變?yōu)轫g性，這有助于預(yù)防和控制CCGBs失效。這驗證了玉米秸稈纖維增強材料的可靠性，反映了提高玉米秸稈纖維耐久性的必要性。

不同加載階段的斷裂特征

3D-DIC技術(shù)實驗結(jié)論

實驗提出的針對ITZ的植物纖維增強方法，添加1％-2％的玉米秸稈纖維粗集料質(zhì)量有助于改善CCGB早期的力學性能。

1、采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，3D-DIC技術(shù)對玉米秸稈纖維增強CCGB加載過程，植物纖維增強材料力學性能測試分析。

2、后期添加玉米秸稈纖維對機械性能是不利的，只有一部分不利影響可以通過堿處理來彌補。

3、3D-DIC全場應(yīng)變測量技術(shù)和AE測試證實，添加玉米秸稈纖維有利于在加載過程中保持試樣的穩(wěn)定性和完整性，并控制突然失效的風險。

案例摘自：【Haochen Wang, College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China. Influence of the use of corn straw fibers to connect the interfacial transition zone with the mechanical properties of cemented coal gangue backfill.】